劉小根, 包亦望, 萬德田, 孫與康

硫化鎳引發(fā)鋼化玻璃自爆的臨界尺寸及影響

劉小根1,2, 包亦望1,2, 萬德田1,2, 孫與康2

(1. 中國建筑材料科學研究總院 綠色建筑材料國家重點實驗室, 北京 100024; 2. 中國建材檢驗認證集團股份有限公司, 北京 100024)

基于變形協(xié)調(diào)關(guān)系及均強度理論, 定量計算了硫化鎳相變體積膨脹對玻璃的擠壓應(yīng)力、因硫化鎳和玻璃熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力及以上兩者協(xié)同作用下導(dǎo)致的硫化鎳顆粒周邊的局部集中應(yīng)力的影響, 分析了硫化鎳直徑、玻璃局部強度及環(huán)境溫度對鋼化玻璃自爆的影響, 確定了引發(fā)鋼化玻璃自爆的硫化鎳顆粒的臨界直徑。研究結(jié)果表明: 硫化鎳顆粒周邊的周向集中應(yīng)力(拉應(yīng)力)是導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的根本原因。隨著硫化鎳直徑的增大, 其周向應(yīng)力也增大, 但不呈線性關(guān)系, 當顆粒直徑小于0.2 mm時, 其周向應(yīng)力迅速降低, 而當顆粒直徑大于0.5 mm時, 其周向應(yīng)力增大幅度變緩。隨著鋼化玻璃表面應(yīng)力的增大, 引發(fā)自爆風險的硫化鎳臨界直徑逐漸減小, 直徑小于0.1 mm的硫化鎳很難引發(fā)鋼化玻璃自爆。周向應(yīng)力與環(huán)境溫度升高呈線性增長趨勢, 且大顆粒尺寸的硫化鎳周向應(yīng)力增長速率更快。

鋼化玻璃; 自爆; 硫化鎳相變; 臨界尺寸

鋼化玻璃廣泛應(yīng)用于建筑、家電、汽車及其他領(lǐng)域, 每年因鋼化玻璃自爆傷人事故不斷發(fā)生, 特別是應(yīng)用于高層建筑的鋼化玻璃自爆后, 玻璃碎片高空撒落給城市帶來了嚴重的安全隱患。因此, 檢測和預(yù)測鋼化玻璃自爆風險, 對事先排查安全隱患至關(guān)重要。鋼化玻璃自爆主要是由玻璃內(nèi)部的局部應(yīng)力集中所導(dǎo)致的[1], 而應(yīng)力集中主要為玻璃內(nèi)部的各種缺陷, 如異質(zhì)顆粒、氣泡、微不均勻性造成的。鋼化玻璃自爆與各種缺陷的類型、尺寸、分布位置等因素有關(guān)。SWAIN[2-3]、LEON[4]、T?LKE等[5]、JOHN[6]和OUSSAMA等[7]均對硫化鎳引發(fā)鋼化玻璃自爆機理及原因進行了研究和分析, 并證明導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的主要因素就是硫化鎳顆粒相變(伴隨著約2％~4％的體積膨脹)引起的。BISHOPA等[8]對玻璃內(nèi)部的微小硫化鎳雜質(zhì)進行了顯微拉曼光譜分析, 在該基礎(chǔ)上提出了一種對玻璃中硫化鎳雜質(zhì)特征的原位無損分析技術(shù)。包亦望等[1,9]分析了鋼化玻璃內(nèi)部雜質(zhì)因膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的顆粒附近擠壓應(yīng)力, 并提出了一種光彈法檢測鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力集中的方法及裝置。Li等[10]提出了一種帶特殊媒質(zhì)以改變?nèi)肷涔饨嵌鹊墓鈾z測裝置檢查玻璃內(nèi)部的雜質(zhì)。硫化鎳是一種金黃色的、分布于玻璃內(nèi)部的異質(zhì)顆粒, 本身不與玻璃浸潤, 其在玻璃內(nèi)部一般呈球狀顆粒分布, 如圖1(a)所示。硫化鎳發(fā)生相變體積膨脹后, 會在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力集中, 并引發(fā)顆粒周邊玻璃產(chǎn)生裂紋及擴展, 見圖1(b)所示, 從而造成鋼化玻璃自爆。采用光彈掃描法可以檢測到這種應(yīng)力集中的存在, 見圖1(c)所示, 也是目前針對既有幕墻鋼化玻璃自爆檢測的一種相對簡單的方法。國家標準《平板玻璃》(GB11614- 2009)[11]對平板玻璃中不同尺寸的點狀缺陷個數(shù)進行了限定, 硫化鎳作為一種點狀缺陷, 現(xiàn)場檢測時, 需針對其尺寸、分布位置及玻璃使用環(huán)境作進一步分析, 以確定其引發(fā)鋼化玻璃自爆風險的程度。因此,有必要了解硫化鎳相變后對玻璃的損傷作用機理, 分析各種影響因素作用下的硫化鎳顆粒周邊的應(yīng)力分布特征, 確定引發(fā)鋼化玻璃自爆的硫化鎳顆粒臨界尺寸, 從而指導(dǎo)實際工程檢測應(yīng)用。

1 硫化鎳顆粒周邊應(yīng)力集中理論計算

硫化鎳顆粒周邊的應(yīng)力集中, 一是來自硫化鎳相變體積膨脹對玻璃的擠壓應(yīng)力, 二是來自因硫化鎳和玻璃熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力, 當上述兩項應(yīng)力疊加值超過所在位置玻璃的強度值時, 則可引發(fā)鋼化玻璃自爆。

1.1 由硫化鎳相變體積膨脹導(dǎo)致的均布壓力

圖1 鋼化玻璃內(nèi)部硫化鎳顆粒照片

(a) Enlarged photo of NiS particle in glass; (b) Glass crack around the NiS particle; (c) Photoelastic spot due to the concentration stress

將式(1)、式(2)代入式(3)得:

即硫化鎳相變后, 在其與玻璃之間產(chǎn)生的均布壓力為:

即:

1.2 硫化鎳和玻璃熱膨脹系數(shù)不匹配形成的內(nèi)應(yīng)力

因硫化鎳與玻璃熱膨脹系數(shù)不匹配, 在熔融的玻璃料降溫后, 固化于玻璃內(nèi)部的硫化鎳顆粒與玻璃之間會形成相互作用的均布壓力, 其計算公式如下[1]:

1.3 計算硫化鎳顆粒周邊應(yīng)力

圖2 硫化鎳顆粒相變體積膨脹變形協(xié)調(diào)關(guān)系示意圖

由于玻璃為脆性材料, 其破壞主要為受拉應(yīng)力作用, 因此, 硫化鎳顆粒相變膨脹后導(dǎo)致的玻璃自爆主要為周向應(yīng)力(拉應(yīng)力)作用, 將式(11)代入式(9)得周向拉應(yīng)力為:

由式(12)可得硫化鎳顆粒周邊周向應(yīng)力分布特征(見圖4所示), 在硫化鎳顆粒與玻璃交界處應(yīng)力最大, 隨后與離硫化鎳中心距離的負三次方遞減, 存在較大的應(yīng)力梯度。

圖3 硫化鎳顆粒附近玻璃應(yīng)力分布示意圖

圖4 硫化鎳顆粒周邊的周向應(yīng)力梯度分布示意圖

硫化鎳顆粒周邊的周向平均應(yīng)力可通過積分, 按式(14)進行計算:

1.4 鋼化玻璃局部強度

鋼化玻璃是一個應(yīng)力平衡體, 表層為壓應(yīng)力, 中間層為拉應(yīng)力, 物理鋼化玻璃沿玻璃厚度方向上的應(yīng)力分布示意圖如圖5所示, 應(yīng)力分布按式(16)計算[1]:

式中, x為距鋼化玻璃中性軸的距離, h為鋼化玻璃的厚度, 為鋼化玻璃的表面應(yīng)力。

鋼化玻璃內(nèi)部的局部強度應(yīng)為玻璃的本征強度與該處鋼化應(yīng)力之和, 即:

玻璃的本征強度可以通過彎曲試驗獲得, 由于玻璃表面存在許多微裂紋, 通過測量, 表面含裂紋玻璃的彎曲強度在60~80 MPa之間, 由于硫化鎳分布于玻璃內(nèi)部, 其與玻璃在接觸界面處并不存在像玻璃表面那樣的微裂紋, 所以, 該部位(玻璃內(nèi)部)的本征強度不能用玻璃表面彎曲強度代替, 但如果玻璃表面微裂紋經(jīng)過腐蝕消除后, 測量的彎曲強度較接近玻璃內(nèi)部(不含微裂紋)的本征強度, 可取其平均值為160 MPa左右[14-15]。

1.5 鋼化玻璃自爆臨界條件

2 結(jié)果與討論

2.1 計算參數(shù)的選取

計算參數(shù)的取值見表1所示。

2.2 硫化鎳尺寸對周向應(yīng)力的影響

表1 計算參數(shù)取值[3]

分布在硫化鎳顆粒周邊的周向應(yīng)力由硫化鎳相變及硫化鎳與玻璃熱膨脹系數(shù)不匹配引發(fā)的應(yīng)力疊加而成。圖6給出了上述三種應(yīng)力值隨硫化鎳顆粒直徑的變化關(guān)系, 由圖中可以看出, 硫化鎳相變引發(fā)的周向應(yīng)力為拉應(yīng)力(圖中給出的相變后體積增大為3%), 硫化鎳與玻璃熱膨脹系數(shù)不匹配引發(fā)的周向應(yīng)力為壓應(yīng)力。當硫化鎳未發(fā)生相變時, 其周邊周向應(yīng)力為壓應(yīng)力, 玻璃不會自爆。隨著硫化鎳直徑的增大, 其周向應(yīng)力也增大, 但其之間并不呈線性關(guān)系, 當顆粒直徑小于0.2 mm時, 其周向應(yīng)力迅速降低, 而當顆粒直徑大于0.5 mm時, 其周向應(yīng)力增大幅度明顯變緩。

2.3 鋼化玻璃局部強度

由式(17)計算得到鋼化玻璃局部強度沿厚度方向的分布示意圖見圖7 (玻璃厚度為6 mm, 表面應(yīng)力為90 MPa)。鋼化玻璃的局部強度最小值分布在玻璃的中性層部位, 當硫化鎳雜質(zhì)越接近中性層時, 其引發(fā)自爆風險概率越大。表3給出了不同鋼化應(yīng)力下鋼化玻璃中性層位置處的局部強度, 鋼化應(yīng)力越大, 中性層部位的局部強度越小。

表2 不同直徑硫化鎳顆粒的周向平均應(yīng)力值

圖6 硫化鎳顆粒直徑與其周向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線

圖7 鋼化玻璃局部強度沿厚度方向的分布示意圖(玻璃厚度為6 mm, 表面應(yīng)力值為90 MPa)

2.4 引發(fā)鋼化玻璃自爆的硫化鎳臨界直徑及影響因素

分布在中性層部位的硫化鎳最容易引起自爆, 可將分布在此部位的引發(fā)鋼化玻璃自爆的硫化鎳顆粒最小直徑作為臨界直徑。我國國家標準將表面應(yīng)力不低于90 MPa作為鋼化玻璃合格品的限定值, 其對應(yīng)的中性層局部強度為124 MPa, 對比表2結(jié)果可知直徑超過0.16 mm的硫化鎳易產(chǎn)生自爆, 如果表面應(yīng)力繼續(xù)增大, 比如增大到120 MPa時, 此時臨界直徑將接近于0.12 mm, 繼續(xù)增大至150 MPa時, 臨界直徑將縮小至0.10 mm。我國鋼化玻璃表面應(yīng)力值大部分處于90~150 MPa之間, 所以直徑小于0.1 mm的硫化鎳引發(fā)鋼化玻璃自爆概率極低。當表面應(yīng)力降低, 相應(yīng)的自爆臨界直徑會增大, 如表面應(yīng)力降至50 MPa(大部分半鋼化玻璃表面應(yīng)力均值)時, 其引發(fā)自爆的臨界直徑至少需大于0.2 mm以上, 而實際檢測過程中硫化鎳直徑大部分處于0.1~0.2 mm之間, 直徑大于0.2 mm以上的硫化鎳占比不到10% (見圖8工程統(tǒng)計結(jié)果)。因此, 減小表面應(yīng)力可降低鋼化玻璃自爆概率, 半鋼化玻璃存在自爆的可能性極低。

鋼化玻璃壓應(yīng)力區(qū)的局部強度均大于玻璃的本征強度(160 MPa), 因此, 分布于壓應(yīng)力區(qū)的硫化鎳引發(fā)自爆的臨界直徑至少需大于0.35 mm, 而實際中超過0.35 mm的硫化鎳極少, 因此, 分布于壓應(yīng)力區(qū)的硫化鎳顆粒引發(fā)自爆的可能性極小。

表3 不同鋼化玻璃表面應(yīng)力下的中性層部位局部強度值/MPa

圖8 硫化鎳直徑分布與其所占比率的關(guān)系(工程現(xiàn)場檢測統(tǒng)計數(shù)據(jù))

環(huán)境溫度也是影響鋼化玻璃自爆的一個重要因素, 圖9為計算的直徑分別為0.08、0.1、0.2 mm的硫化鎳顆粒在不同服役環(huán)境溫度下的周向應(yīng)力, 由圖中可以看出, 周向應(yīng)力與環(huán)境溫度呈線性增長, 且大顆粒尺寸的硫化鎳應(yīng)力增大速率更快。由于溫度的升高, 增大了硫化鎳顆粒周邊的周向應(yīng)力(每上升10 ℃, 顆粒周邊應(yīng)力值增大1~3 MPa)。當環(huán)境溫度升至300 ℃(相當于均質(zhì)爐中的溫度, 其應(yīng)力值相比服役溫度為30 ℃時增加了約34%。此時, 即使直徑為0.08 mm的硫化鎳顆粒, 其周邊的周向應(yīng)力也將超過玻璃局部強度(按表面應(yīng)力為90 MPa計算), 因此, 在均質(zhì)爐里, 至少可以將直徑0.08 mm以上的硫化鎳顆粒引爆。

3 結(jié)論

1)分布在硫化鎳顆粒周邊的周向應(yīng)力是導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的根本原因, 由硫化鎳相變及硫化鎳與玻璃熱膨脹系數(shù)不匹配引發(fā)的應(yīng)力疊加而成。硫化鎳相變引發(fā)的周向應(yīng)力為拉應(yīng)力, 硫化鎳與玻璃熱膨脹系數(shù)不匹配引發(fā)的周向應(yīng)力為壓應(yīng)力。

圖9 不同服役環(huán)境溫度與硫化鎳顆粒周邊的周向應(yīng)力的關(guān)系曲線

2)隨著硫化鎳直徑的增大, 其周向應(yīng)力也增大, 但不呈線性關(guān)系, 當顆粒直徑小于0.2 mm時, 其周向應(yīng)力迅速降低, 而當顆粒直徑大于0.5 mm時, 其周向應(yīng)力增大幅度趨于緩和。

3)隨著鋼化玻璃表面應(yīng)力的增大, 引發(fā)自爆風險的硫化鎳臨界直徑趨于減小。表面應(yīng)力從90 MPa增至150 MPa時, 引發(fā)自爆的臨界直徑約從0.16 mm降至0.1 mm。因我國鋼化玻璃表面應(yīng)力值大部分處于90~150 MPa之間, 所以直徑小于0.1 mm的硫化鎳顆粒引發(fā)鋼化玻璃自爆概率極低。

4)周向應(yīng)力與環(huán)境溫度升高呈線性增長, 且大顆粒尺寸的硫化鎳應(yīng)力增大速率更快。服役環(huán)境溫度每上升10 ℃, 不同直徑的硫化鎳顆粒周邊的周向應(yīng)力值增大約為1~3 MPa。

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Critical Size on Spontaneous Breakage of Tempered Glass Initiated by NiS Particle

LIU Xiao-Gen1,2, BAO Yi-Wang1,2, WAN De-Tian1,2, SUN Yu-Kang2

(1. State Key Laboratory of Green Building Materials, China Building Materials Academy, Beijing 100024, China; 2. China Building Material Test & Certification Group Co., Ltd, Beijing 100024, China)

Extrusionstress due to phase change of the NiS, internal stress due to CTE mismatch between the NiS and glass, and local concentrated stress around the NiS due to synergistic effects above were quantitatively calculated based on equal strength theory and the deformation coordination relation between NiS and glass in this work. The effects of NiS particle diameter, local strength of glass and ambient temperature on spontaneous breakage of tempered glass were analyzed. The critical diameter of NiS particles was determined as well. The results show that the fundamental reason for spontaneous breakage of tempered glass is the circumferential concentrated stress (tensile stress) near the NiS particle. There exists non-linear relations between circumferential stress and NiS particle diameter of which the circumferential stress decreases rapidly with the decrease of NiS particle diameter when it is less than 0.2 mm, but circumferential stress increases moderately when it is greater than 0.5 mm. The critical diameter of NiS particle which causes the spontaneous breakage of tempered glass decreases with the increase of surface stress in the tempered glass. It is difficult to induce spontaneous breakage of tempered glass when the diameter of NiS particle is less than 0.1 mm. The circumferential stress increases linearly with the increase of ambient temperature, and the stress increases slightly faster for the NiS with larger diameter.

tempered glass; spontaneous breakage; phase change of the NiS; critical size

TQ174

A

1000-324X(2020)02-0211-06

10.15541/jim20190082

2018-02-25;

2018-03-28

國家重點研發(fā)計劃(2018YFF0214502, 2017YFF0208502)

National Key Research and Development Program of China (2018YFF0214502, 2017YFF0208502)

劉小根(1976–), 男, 教授. E-mail: xtlxg88@163.com

LIU Xiao-Gen(1976–), male, professor. E-mail: xtlxg88@163.com